包覆式ZrB2-ZrO2超高温陶瓷的制备及其性能研究

论文摘要

二硼化锆（ZrB2）具有高熔点、高硬度、良好的导电、导热性等诸多优点，广泛应用于高温结构陶瓷材料、耐火材料、电极材料以及核控制材料等领域中。但其脆性大，弯曲强度不高，高温下易氧化等缺点，制约了其应用范围。为此，人们采用多种改进手段开发不同类型的ZrB2基复合陶瓷。粉体包覆是一种新型的粉体改性技术，是提高材料性能的重要手段之一。本课题采用粉体改性技术制备了包覆式ZrB2-ZrO2复合粉体，研究了不同实验条件对复合粉体包覆结构的影响，确定了最优合成条件；并采用放电等离子烧结工艺对包覆式ZrB2-ZrO2复合粉体进行烧结，制备ZrB2-ZrO2复合材料，研究了复合材料物理性能、抗热震性能、微观结构，同时探讨了ZrB2-ZrO2复合材料的高温氧化行为。在包覆式ZrB2-ZrO2复合粉体制备中，研究了pH值、ZrO2添加量、ZrB2分散液浓度、ZrOCl2溶液浓度、滴定速度对制备包覆式复合粉体显微结构的影响。结果表明：在pH=5时，往浓度为0.03g／ml的ZrB2分散液中滴加ZrOCl2（0.04mol／L）溶液，再在pH=9时滴加3mol％YCl3溶液（其中滴速均为1.5ml／min），可以达到比较好的包覆效果。SEM、TEM、XRD等测试结果表明：复合粉体的主晶相为ZrB2和单斜相（m）ZrO2，纳米ZrO2粉体包裹在ZrB2颗粒表面。采用放电等离子烧结工艺烧结包覆式ZrB2-ZrO2复合粉体，制备了ZrB2-ZrO2复合材料。结果表明：在最高烧结温度为1950℃，保温时间为10min、烧结压力为30MPa，ZrO2含量为10vol％时，复合材料的致密度可以达到97.5％。复合材料的主要相组成为ZrB2和四方相（t）ZrO2。ZrO2晶体颗粒细小，烧结完成后，晶体颗粒没有明显长大，填充在硼化锆晶界和三角区域中。论文还探讨了ZrB2-ZrO2复合材料的高温抗氧化行为，采用恒温氧化法与循环氧化法，对材料的高温氧化行为进行评价。结果表明：复相陶瓷的抗氧化性能较纯ZrB2陶瓷有明显提高，尤其是在表面氧化层形成后的第二阶段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 二硼化锆
• 1.1.1 二硼化锆的性质
• 1.1.2 二硼化锆陶瓷的研究现状
• 1.1.3 二硼化锆陶瓷的应用
• 1.2 粉体包覆技术
• 1.2.1 粉体包覆技术分类
• 1.2.1.1 机械化学法
• 1.2.1.2 乳液聚合法
• 1.2.1.3 溶胶─凝胶法
• 1.2.1.4 异相凝聚法
• 1.2.1.5 沉淀法
• 1.3 SPS 烧结技术
• 1.4 本文研究的目的、意义及主要内容
• 1.4.1 本文研究的目的和意义
• 1.4.2 本文研究的主要内容
• 2-ZrO₂ 复合粉体的制备与结构'>第二章 包覆式 ZrB₂-ZrO₂复合粉体的制备与结构
• 2.1 实验原理及实验方法
• 2.1.1 实验原理
• 2.1.2 实验方法
• 2.2 实验原料及设备
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验设备
• 2.3 实验设计
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 pH 值对包覆效果的影响
• 2.4.2 氧化锆添加量对包覆效果的影响
• 2 分散液浓度对包覆效果的影响'>2.4.3 ZrB₂分散液浓度对包覆效果的影响
• 2 溶液浓度对包覆效果的影响'>2.4.4 ZrOCl₂溶液浓度对包覆效果的影响
• 2.4.5 滴定速度对包覆效果的影响
• 2.5 物相分析
• 2.6 小结
• 2-ZrO₂ 陶瓷的 SPS 烧结以及结构与性能'>第三章 ZrB₂-ZrO₂ 陶瓷的 SPS 烧结以及结构与性能
• 3.1 实验方法
• 3.2 结果与讨论
• 2-ZrO₂ 复合粉体的致密化结果'>3.2.1 包覆式 ZrB₂-ZrO₂复合粉体的致密化结果
• 2 粉体与包覆式 ZrB₂-ZrO₂ 复合粉体的致密化过程分析'>3.2.2 纯 ZrB₂ 粉体与包覆式 ZrB₂-ZrO₂复合粉体的致密化过程分析
• 2-ZrO₂ 复相陶瓷的相组成和微观结构'>3.3 ZrB₂-ZrO₂复相陶瓷的相组成和微观结构
• 3.3.1 复相陶瓷的相组成
• 3.3.2 SEM 表面及断口形貌观察
• 3.3.3 EPMA 元素分析
• 3.4 硼化锆陶瓷的抗热震性能研究
• 3.5 小结
• 2-ZrO₂ 陶瓷的高温氧化行为'>第四章 ZrB₂-ZrO₂陶瓷的高温氧化行为
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 试样制备
• 4.1.2 氧化实验过程
• 4.2 氧化层物相分析
• 4.3 氧化增重率分析
• 4.4 氧化层显微结构分析
• 4.5 小结
• 第五章 结论
• 1 陶瓷材料的制备
• 2 高温氧化行为
• 参考文献
• 致谢
• 附录